Die verkehrte Lichtmühle
Wegen der kalten Witterung in diesem Winter hat der Physiktreff diesmal eine Knobelaufgabe, bei der einem wegen der benutzten Lampe ordentlich eingeheizt wird: Es handelt sich um Beobachtungen an einer Lichtmühle, in der Fachsprache auch Radiometer genannt.
Wörtlich übersetzt heißt "Radiometer"
einfach: Strahlungsmesser. Es handelt sich also um ein Gerät, mit
dem man Strahlung messen bzw. nachweisen kann. Sein Aufbau ist auf dem
folgenden Foto gut zu erkennen:
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In einer Glaskugel
befinden sich 4 Flügel, die auf einer Stahlnadel drehbar gelagert
sind. Die Glaskugel ist etwas leergepumpt, aber nicht vollständig
evakuiert.
Fällt nun Licht oder Wärmestrahlung (es ist z.Z. ja schließlich Winter!) auf die Flügel, so beginnen sich die Flügel zu drehen. Historische Anmerkung: Die Lichtmühle wurde um 1874 von Thomas Crooke konstruiert und diente lange Jahre in der Physik als hochempfindliches Nachweisgerät (und Messgerät) für Licht- und Wärmestrahlung. Daher der Name "Radiometer", der ja auf ein Messgerät hinweist. In älteren Physikbüchern (ca. 1928) findet man den Hinweis, dass gute Lichtmühlen so empfindlich sind, dass sie schon auf die Brown´sche Bewegung der Luftmoleküle reagieren. Bei schönen alten Lichtmühlen bestehen die Flügel aus dünnen Glimmerplättchen und sind einseitig schwarz berußt. |
Vielfach wird behauptet, die Drehung würde den "Lichtdruck" verursacht. Wie wir alle wissen, ist diese Erklärung völlig falsch.
Wenn man genauer hinsieht, dann bemerkt man, dass die Flügel auf einer Seite schwarz lackiert sind und auf der anderen Seite hell sind. Die Drehung erfolgt dabei immer so, dass die helle Fläche in Bewegungsrichtung zeigt.
Die Erklärung für die Drehung der Flügel ist folgende:
Die schwarz gefärbte Seite der Flügel erwärmt sich bei Bestrahlung stärker als die weiße Seite, die schwarze Seite ist also heißer als die weiße. Die Moleküle der noch vorhandenen Restluft werden also, wenn sie zufällig auf die schwarze (heiße) Seite der Flügel treffen mit größerer Geschwindigkeit reflektiert als ihre Gegenpartner auf der weißen (kälteren) Seite, da sie etwas von der Temperatur der wärmeren Flügelseite übernehmen. Damit erfährt die schwarze Seite der Flügel einen stärkeren Rückstoss als die weiße Seite, was dann zu der Drehung führt.
Wem das zu kompliziert klingt, kann auch mit der Vorstellung klarkommen, dass sich das erwärmte Gas vor den schwarzen Flügeln ausdehnt, und so die schwarzen Flächen von sich wegdrückt.
Mit einem Standbild ist das nur schwer zu demonstrieren,
ein Video wäre hier angebracht. Trotzdem zwei Standbilder:
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Auf dem oberen Bild wird die Lichtmühle mit
einer 12 Volt / 50 Watt Halogenlampe angestrahlt, auf dem unteren Bild
wird sie mit einer Keramik-Wärmelampe betrieben. Die
Keramik-Wärmelampe
sendet überhaupt kein sichtbares Licht, sondern nur Wärmestrahlung
aus. Damit klappt die Lichtmühle bestens, auch der unten beschriebene
Effekt ist bei der Wärmelampe deutlicher.
Die Frage der Knobelaufgabe Nr.3 bezieht sich nun nicht auf die Lichtmühle, wenn sie bestrahlt wird, sondern auf den Zeitpunkt danach:
Bestrahlt man die Lichtmühle etliche Minuten (10 Minuten haben sich bewährt) mit Licht bzw. mit der Wärmelampe und schaltet dann die Strahlungsquelle aus, dann dreht sich das Flügelrad noch munter einige Zeit weiter. Irgendwann bleibt es stehen und dreht sich dann einige Umdrehungen in entgegengesetzter Richtung zurück !
Die Frage der Knobelaufgabe Nr. 3 lautet nun:
Warum dreht sich die Lichtmühle nach Abschalten
der Strahlungsquelle entgegengesetzt herum ?
Anders als bei den bisherigen Knobelaufgaben geben wir Ihnen / Euch diesmal keine Antwortmöglichkeiten zur Auswahl vor. Wir hoffen auf Ihre / Eure Antworten in freier Textform !
Ein letzter Hinweis an dieser Stelle: Wer aufmerksam durch die vielen Seiten des Physiktreffs stöbert, findet fast schon die Lösung!
Wenn Sie (als Lehrer) oder Ihr (als Schüler) eine Idee für eine Lösung habt, dann schickt sie als
e-mail an hanjo.claas@online .de
oder als Fax an: 0211 / 700 95 62
oder als Brief an Hans-Joachim Claas, Philipp-Scheidemann-Str. 2B, 40595 Düsseldorf.
Für die richtige (beste) Lösung setzt der Physiktreff wieder einen Buchpreis aus.
Einsendeschluss für Ihre / Eure Lösung
sind diesmal die Osterferien 2002, also irgendwie der Zeitraum um Anfang
April 2002 .
Dann erscheint an dieser Stelle sowohl die Lösung
als auch die neue Knobelaufgabe.